激光雷达原理（精品ＰＰＴ）.ppt

激光雷达技术（2） 激光雷达原理 激光雷达原理 相干激光雷达 信号的幅度和位相 非相干激光雷达 信号的幅度 激光雷达方程物理过程 激光雷达方程描述激光发射和接收的物理光学过程 它包括以下四个环节： 激光到目标的传输； 目标对激光的反射； 散射光到探测器的传输； 接收机对散射光的收集。 激光雷达方程一般形式 激光雷达方程一般形式 激光束的物理描述 激光束归一化函数：在激光雷达设计和分析中，经常遇到三种典型的光束形状： 高斯光束 爱里光束 均匀光束（平面波）。 激光束的物理描述 激光束的物理描述 光束宽度是对发射激光束轮廓角度展幅的度量。 束宽由光束内光强下降到波束峰值光强所指定百分比的位置决定，或由内接收功率达到发射总功率所指定百分比时的角弦来决定。习惯上使用半宽度代替整个束宽。 当发射光束均匀照明一个圆形输出孔径时，衍射极限的束宽为 激光束的物理描述 在远场，即时，高斯光束的束宽可以近似 不同目标的激光雷达距离方程 相干探测的基本理论 相干探测对信号的放大作用 相干探测抑制背景光 相干探测的噪声分析 相干探测的CNR接收效率 最佳本振光功率 激光雷达载噪比距离公式 激光雷达载噪比距离公式 外差和混频效率 外差天线效率 静态收发机的天线效率 波前失配对外差效率的影响 截断高斯光束的天线效率 湍流效应 湍流效应 湍流效应 大气运动的形式有层流和湍流 层流是流体质点作有规则的稳定流动，在一个薄层内大气质点的流速和流向都较为稳定，各运动气层间质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每也不发生混合。 湍流是一种无规则的旋涡流动，大气一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。 流体由规则的层流运动转变为无规则的湍流运动，由无量纲的Reynolds(雷诺滋数) 湍流效应 当Reynolds数小于某临界值时，为层流运动； 当Reynolds数大于该临界值时，为湍流运动。 由于大气的粘滞系数?较小，所以大气运动的Reynolds数较易达到某临界值而形成湍流运动。 大气湍流以不同尺度的旋涡形式出现，这些旋涡也称为湍块。大气湍块尺度的下限l0称为湍流内尺度，上限L0称为湍流外尺度。不同的大气湍块不仅具有各自的运动速度和运动方向，还具有各自的温度和密度，因而具有各自的光学折射率。 大气湍流运动的结果，使得大气的速度、温度、折射率成为一种随机场。其中折射率起伏直接影响激光的传输特性。 湍流效应 Колмогоров建立的描述大气速度场统计特性的“2/3次方定律”为： 湍流效应 在光频段，如忽略温度影响，大气折射率n0有关系： 湍流效应 由此可见，大气光学折射率结构函数也遵循“2/3次方定律”，可表示为： 湍流效应 按照Cn值的大小，通常把大气湍流分为弱、中、强三种情况： 散斑效应 接收平面的散斑 在确定I0一阶统计性质时，求N参数并搞清楚它的物理意义是十分必要的。如果当接收面积远远大于散斑面积时， 则可以定义散斑相关面积和探测有效面积： 若假设在探测器面积SN内含有N个相关面积Sc（即散斑平均大小），即 因此积分散斑光强I0相当于N个等强度、不相关的散斑相互叠加，故积分光强I0的概率密度为： 散斑效应 计算出的N不一定是整数，(N-1)!换成?(N-1), 可以导出： 散斑效应 距离分辨力、测距精度 和测距误差 距离分辨率和测距精度，是传统微波雷达测量过程中常用的两个物理概念。 距离分辨力是指测量沿同一视线上两个分离物体间距离的能力极限，而不是指当分离物体的角度可分辨时，测量它们之间在距离上差异的能力，为确定一个目标在出现一个或几个其他目标时能否被探测，需要对模糊函数及其旁瓣做详细的测量，它还与雷达发射光束的调制波形有关。 测距精度是指在存在噪声的情况下对目标距离参数估值的标准偏差，它是信噪比与波形参数的函数。 脉冲雷达距离回波看作两个目标集合平均值的时间卷积，脉冲宽度（或频率与时间调制函数的关系，该函数与调频/连续波雷达中的目标散射卷积）通过振幅峰值中的对比度来区别。 距离分辨率、测距精度和测量误差 激光雷达的高角分辨力（从35GHz增加到28THz时增加了三个数量级）改变以下微波假设： 在角度上可分辨的目标之一上的目标取样点在角度上是不可分辨的。对